《机电一体化系统设计》课件 第4次课传感器前期信号处理

温故知新1.电感式位移传感器工作原理2.光栅位移传感器由于莫尔条纹是明暗交替的，当莫尔条纹上下移动时，只要用光敏元件检测出来明、暗的变化，就可得知位移的大小。根据被测位移改变磁阻的方式，它又分为变气隙型、变面积型和螺线管型三种。2第3章传感器检测及其接口电路3.1传感器3.2位移测量传感器3.3速度、加速度传感器3.4位置传感器3.5传感器前期信号处理3.6传感器接口技术机电一体化系统中的控制器接收和处理的信号都是TTL电平信号，而传感器所采集到的信号有模拟信号和数字信号两种。为了能够将传感器采集的信号和控制器相匹配，需要针对信号的特点对信号进行一定的处理，如对模拟信号需要进行放大、滤波、隔离和A/D转换等；对数字信号需要进行放大、隔离和滤波等。传感器信号处理又称为信号调理，信号调理中的部分功能（如滤波）可以由软件实现。信号调理就是将现场输入的状态信号经过放大、保护、滤波、隔离和A/D转换等处理后转换成为计算机可以接收的逻辑信号。一、信号放大器信号放大电路又称放大器，用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工和处理。1.同相电压放大器同相电压放大器电路如图4−28所示，同相电压放大器的增益为式中：−−同相电压放大器增益；

−−放大器增益调电阻。2.反相电压放大器反相电压放大器电路如图3-29所示，反相电压放大器的输入信号经输入端电阻送入反相输入2端，同相输入经平衡电阻接地。为反馈电阻，它跨接在输出端与反向端之间，形成深度电压并联负反馈，称之反馈放大电路。输出电压极性与输入电压极性相反。电路参数计算方法为式中：—反相放大器增益；

—增益可调电阻在电路中，取值，为100特点：具有极高的输入阻抗和低的输出阻抗，常用作阻抗变换器。3.差分放大器当运算放大器的反相端和同相端分别输入信号和时，输出电压当

，

时，放大电路为差分放大器，其差模电压增益为输入电阻为时，放大电路为减法器，输出电压为由于差动放大器具有双端输入−单端输入、共模抑制比较高（

）的特点，通常用作传感器或测量仪器的前端放大器。特点：共模抑制比高，抗共模干扰能力强，但输入阻抗较低。通常用于双端输出的传感器，如称重传感器。4.交流电压放大器图3−31所示为交流电压放大器，可用于低频交流信号的放大，其输出信号与输入信号的关系为式中：

由于

和

都与频率

有关，所以放大器的放大倍数也与频率有关，因此在放大信号时，可以抑制直流漂移和高频干扰电压。4.测量放大器（仪表放大器）在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比及高增益、低噪声和高输人阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器电路称为测量放大器电路或仪表放大器电路。测量放大器电路的放大倍数为只要运算放大器

性能对称（主要输入阻抗和电压增益对称)，过种电路的漂移就将大大减小。该电路具有高输入阻抗和高共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，适用于测量远距离传输过来的信号，因而十分适宜于微小信号输出的传感器配合使用。是用来调整放大倍数的外接电阻。AD521/AD522等是一种集成运算放大器，它具有比普通运算放大器性能优良，体积小、结构简单、成本低等特点。AD522主要用于恶劣环境条件下进行高精度数据采集的场合，由于AD522具有低电压漂移、低非线性、高共模抑制比、低喋声、低失调电压等特点，因而常用于12位数据采集系统。1.AD522123456781011121314+IN-INRG10KΩU-UOUTRS100KΩU+AD521基本连接方法引脚4，6用于调整放大器零点，将4，6端接到10KΩ电位器的两个固定端。电位器滑动端接负电源U-（脚5）。引脚10，13用于外接电阻RS，用于对放大倍数进行微调。当RS=100kΩ±15%

时，可以得到比较稳定的放大倍数。1.AD522123456781011121314+IN-INRG10KΩU-UOUTRS100KΩU+AD521基本连接方法引脚2，14用于外接电阻RG，用于调整放大倍数。测量放大器的放大倍数:其放大倍数可在1～1000的范围内调整。如果输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大，对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。隔离放大器的特点：输入回路与输出回路之间是电绝缘的。信号传递的主要方式:电磁耦合;光电耦合。隔离放大器1）光电耦合光电隔离是一种将电信号转换为光信号，再将光信号转换为电信号的过程。其原理如图2-28所示，Ui端输入低电平电信号，发光二极管则发出光信号，而密封在同一壳体中的光电三极管收到光信号后处于导通状态，则Uo端输出为低电平；反之，当Ui端输入高电平电信号时，则在Uo端输出高电平，既实现了电源之间的隔离（VCC1和VCC2），又保证了信号的传输。图2-28

光电隔离原理1.光电耦合隔离放大器光电耦合器的特点：耦合器中的发光和光敏元件都是非线性器件；非线性器件传输模拟信号将会导致信号失真。克服非线性失真通常采取的措施:给非线性器件施加合适的直流偏置，在小范围内线性传输信息。采用负反馈技术。2）电磁隔离电磁隔离原理如图2-32所示，首先输入信号经过放大后，在调制器的调制下转化为高频调制波信号，该信号通过变压器后进入解调器进行同步解调，然后输出解调后的信号。图2-32

电磁隔离原理二、滤波电路1、功能:滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。2、类型:按处理信号形式分:模拟滤波器和数字滤波器；按功能分:低通、高通、带通、带阻；按电路组成分:LC无源、RC无源、由特殊元件；构成的无源滤波器、RC有源滤波器；按传递函数的微分方程阶数分:-阶、二阶、高阶。通带阻带滤波器的基本参数对于实际滤波器主要参数有截止频率、带宽、品质因数(Q值)，倍频程选择性等。

一、数据采集系统的组成

数据采集系统的典型构成数据采集系统包括：信号调理电路:放大器、滤波器等；多路模拟开关；采样/保持电路；A/D转换器；接口控制逻辑电路。1．信号调理电路把信号调整到符合A/D转换器工作所需要的数值（如放大、衰减、偏移等）；滤除信号中不需要的成分；把信号调整到进一步处理的需要，如线性修正电路、改善信噪比的“相加平均”电路等。作用：用来切换模拟电压信号输入的关键元件。将多路模拟信号分时轮流送给后端数据采集电路进行A/D转换。常用的多路开关有CD4051,AD7501等。2．多路模拟开关3．采样/保持电路（S/H电路）在对模拟信号进行A/D转换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在A/D转换后又能跟踪输入信号的变化，即使输入信号处于采样状态，能完成这种功能的器件叫采样/保持器。从上面分析可知，采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”2.采样/保持器原理采样/保持器由存储电容C，模拟开关S等组成，如图3-57所示。当S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段。当S断开时，电容C端一直保持S断开时的电压，称为保持阶段。目前采样保持器电路大多集成在单一芯片中，但芯片内不含保持电容，一般由用户根据需要选择并外接。保持电容应选择聚苯乙烯电容或聚四氟乙烯电容。电容值的选择应综合烤炉进度、采样频率、下降误差、采样/保持偏差等参数集成采样/保持器的特点是：

（1）采样速度快、精度高，一般在2~2.5s内即可达到±0.01％～±0.003％的精度。（2）下降速率慢，如AD585，AD348为0.5mV/ms，SD389为0.1μV/ms。A/D转换器A/D转换器的作用就是把模拟量变换成计算机能接收的二进制数字信号。按其变换原理可分成逐次逼近式、双积分式、并行式、跟踪比较式和V/F变换式等。逐次逼近式的精度、速度及价格都适中，应用最广泛；并行式速度快，但价格高；双积分式精度高、抗干扰能力强、价格低，但速度偏低；V/F变换式的线性度和精度较高，价格也较低，但速度偏低。使用时可根据实际需要选择不同芯片。逐次逼近模数转换器在反馈环路中使用了一个数/模转换器(DAC)。当加上启动信号时，取样−保持放大器(S&H)将模拟输入量锁存。然后控制单元开始迭代过程，其中，数字值被逼近，数/模转换器将其变换成模拟值，并且由比较器将该值同模拟输入作比较。当数/模转换器的输出等于模拟输入信号时，由控制单元发出终止信号，并在输出端提供正确的数字输出。若n为模/数转换器的位数，则完成转换要用n步。更确切地说。输入与模/数转换器满度(FS)值的二进制分数（1/2，1/4，1/8，······，1/2n）的组合作比较。控制单元首先接通寄存器的最高有效位(MSB)，而让所有比它低的位为0。比较器测试相对于模拟输人的DAC输出若模拟输入超过DAC输出，则保留该MSB（高电平），否则便复位到0。然后，将这个步骤应用于下一个更低的有效位并重新进行比较。进行n次比较之后，转换器降到最低有效位（LSB）这样，DAC的输出便代表对模拟输入的最佳数字逼近。过程结束时，控制单元设定转换结束的终止信号。2.A/D转换器的主要技术指标(1)转换时间和转换速率：转换时间是A/D完成一次转换所需要的时间；转换时间的倒数为转换速率。并行式A/D转换器的转换时间最短，为20~50μs，转换速率为20~50MB/s；双极性逐次逼近式转换器的转换时间约为0.4μs，转换速率为2.5MB/s。(2)分辨率：A/D转换器的分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入电压的变化量，习惯上以二进制位数或BCD码位数表示。例如，AD574A/D转换器可输出二进制数12位，即用212个数进行量化,其分辨率为1LSB(1LSB=1×2-12V)，用百分数表示为1/212×100%=0.0244%。(3)量化误差：量化过程引起的误差为量化误差，量化误差是由于有限数字对模拟量进行量化而引起的误差。理论上规定量化误差为一个单位分辨率的±1/2LSB，分辨率高的转换器具有较小的量化误差。(4)转换精度：A/D转换器的转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值。可用绝对误差或相对误差表示。3.常用A/D转换芯片及其与单片机接口电路A/D转换器集成芯片类型很多，生产厂家也很多，下面介绍广泛应用的AD574芯片，以供选用时参考。（1）AD574AD574是一种高性能的快速12位逐次逼近式A/D转换器.逻辑电源+5V输出数据形式选择信号，接VLOGIC（+5V）时，数据按12位并行输出；接DGND时，数据按8位双字节输出。片选择信号，低电平有效转换和读字节选择信号。A0=0时，启动A/D变换，则按12位A/D方式工作；A0=1时，启动A/D变换，则按8位A/D方式工作。启动/读数控制。为0时启动，为1时读数片允许信号，高电平有效。正电源+15V参考输出模拟地参考输入负电源-15V双极性偏置模拟信号输入。单极性为0~10V，双极性为-5~+5V。模拟信号输入。单极性为0~20V，双极性为-10~+10V。数字地转换/完成状态输出。STS=1，表示正处于转换中；STS=0，表示转换完成。常用的A/D转换器是逐次逼近型和双斜积分型。A/D转换过程包括采样、量化和编码三个步骤。4．A/D转换器接口电路的功能：实现逻辑电平、驱动能力的匹配等。5．接口电路及控制逻辑控制逻辑的功能：实现时序要求上的匹配。

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接口数据采集器CBook2000系列高精度便携数据采集器数据采集系统由硬件+软件组成。Log2580系列现场独立智能数据采集系统①采样速率100kHz，16bit分辨率②输入通道：16单端/8差分模拟信号，可扩至256通道③14个可编程输入量程，最